Fс – собственная частота петли ФАПЧ
ФД1 – фазовый дискриминатор на f = 5 МГц
ФД2 – работает на f = 250 кГц , следовательно шаг тоже = 250 кГц КГУН – кварцевый генератор, управляемый напряжением СМВ – сантиметровые волны
ДПКД N= 160 660
Если взять выходной сигнал прямо с ГУН, т.е. без умножения, то получим синтезатор ДМВ (1800-1925 МГц).
51
Синтезаторы частоты с ФАПЧ и ДПКД с дробным коэффициентом деления
Наряду с ФАПЧ-синтезаторами, с целочисленным коэффициентом деления ДПКД в цепи ОС, существуют СЧ, у которых коэффициент деления в цепи ОС задаётся в виде дробного числа. Метод был разработан в начале 70-х годов, а впоследствии стал называться Fractional-N. Его появление обусловлено тем, что многие из систем связи нуждались в быстром переключении частоты и более низком уровне фазового шума гетеродина.
В классическом синтезаторе с целочисленным коэффициентом деления требуется относительно низкая опорная частота, которая определяет высокое значение коэффициента деления N.
Низкая опорная частота означает длительное время регулирования, а высокое значение коэффициента деления N - повышение фазового шума системы.
Метод Fractional-N предполагает использование дробного деления в цепи ОС и уменьшение коэффициента деления N. В результате можно использовать более высокую опорную частоту и уменьшить время регулирования системы (захват частоты будет происходить гораздо быстрее), а дробное деление в цепи ОС снизит фазовый шум системы.
52
FREF
FY
N=4,6
OUT
FREF
АКК
перепол- нение
FK
FY
Структурная схема синтезатора частоты типа Fractional-N
запрет на пропуск импульса FOUT
4 |
6 |
60 |
M=10 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
0.6 |
0.2 |
0.8 |
0.4 |
|
0.6 |
0.2 |
0.8 |
|
0.0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
UАКК NАКК
ЦАП
FOUT = FREF · (INT + (F/M))
46
N = INT + (F/M) = = 4 + (6/10) = 4,6
910
при переполнении АКК
0.4 0.0 0.6 запрет на пропуск одного импульса FOUT
6 переполнений
Временные диаграммы, показывающие процесс синтезирования
>1 |
>1 |
>1 |
>1 |
>1 |
>1 |
53 |
|
Втечение времени, необходимого для генерирования первого цикла сигнала FREF,
всчётчике N будет отсчитано 4 периода FOUT и произведено деление на 4, а значение
0,6 будет отложено в АКК. Первоначально в АКК записывается тот же код 0,6, что и в регистр F.
В начале второго цикла сигнала FREF счётчик N также будет производить деление на 4, и в АКК к ранее записанному значению 0,6 добавится новое значение 0,6. Особенностью АКК является то, что он сохраняет только значения меньше единицы, поэтому на втором цикле мы получим значение аккумулятора не 1,2, а 0,2.
Таким образом, АКК "следит" за отсутствующими дробными частями. Начиная со второго цикла, с выхода АКК формируется сигнал переполнения OVERFLOW, который запрещает прохождение одного импульса FOUT.
К началу второго цикла с выхода Fx этой схемы мы получим пять периодов тактовой частоты FOUT, так как переполнение, равное 1,2, даёт нам один дополнительный период импульса FOUT и сохранённое значение в аккумуляторе, равное 0,2. В начале второго цикла сигнала FREF сигнал переполнения OVERFLOW будет блокировать прохождение первого импульса в этом цикле.
С другого выхода аккумулятора сигнал переполнения будет поступать на вход ЦАП, с выхода которого аналоговый сигнал, пропорциональный по амплитуде значению переполнения, будет суммироваться в сумматоре S с сигналом ошибки
фазового детектора. Тем самым будет сохраняться точность настройки VCO (ГУН) с
учётом дробных частей коэффициента деления N.
54
Из диаграммы видно, что аккумулятор имеет переполнение во 2-, 4-, 5-, 7-, 9- и 10-м циклах. Итак, последовательность из 10 циклов сигнала FREF будет содержать 6
переполнений, в результате которых получим общее количество периодов сигнала FOUT как (4x4) + (6x5) = 46. В итоге получим на выходе FY счётчика N
последовательность импульсов с учётом добавочных периодов переполнения. С выхода FY эта последовательность импульсов будет поступать на второй вход
фазового детектора с выхода, сигнал ошибки которого, с учётом сложения в |
||||||||||||
сумматоре, будет поступать через ФНЧ на вход VCO, образуя тем самым контур |
||||||||||||
ФАПЧ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
46 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
FOUT = FREF · (INT + (F/M)) |
|||
OUT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N = INT + (F/M) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
FREF |
1 |
2 3 4 |
5 6 |
7 8 9 |
10 |
= 4 + (6/10) = 4,6 |
||||||
|
|
при переполнении АКК |
||||||||||
|
|
|
0.8 |
|
|
|
0.8 |
|
0.6 |
|
|
|
АКК |
0.6 |
0.2 |
0.4 |
0.6 |
0.2 |
0.4 |
|
|
запрет на пропуск |
|||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
0.0 |
|
|
0.0 |
|
|
одного импульса FOUT |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
перепол- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 переполнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нение
FK
FY
>1 |
>1 |
>1 |
>1 |
>1 |
>1 |
55 |
|
|
|
|
|
|
Fractional-N ФАПЧ-синтезаторы частоты, выпускаемые в настоящее время компаниями Analog Devices (ADI), Texas Instruments (TI) и Philips Semiconductors, представляют собой законченные устройства, способные работать на частотах
до 3 ГГц. Существуют также двойные Fractional-N и Fractional-N/Integer-N ФАПЧ- синтезаторы частоты, имеющие два раздельных контура регулирования. В них Fractional-N секция работает в RF-контуре регулирования (RF - основная радиочастота), а Integer-N секция работает в IF-контуре регулирования (IF - промежуточная частота).
Fractional-N ФАПЧ-синтезаторы используются для построения гетеродинов с преобразованием верх и вниз по частоте, в базовых станциях и переносных трубках мобильной связи (GSM, CDMA, WCDMA, PCS, DCS), а также в LAN (локальных сетях), тестовом коммуникационном оборудовании и CATV (кабельном) оборудовании.
56
Элементы ФАПЧ
Интегратор (ФНЧ).
Uвых=1/(1+j R1C1)
при >> 1/R1C1
Uвых= Uвых/j R1C1
наклон АЧХ -20дб/декаду Активные ФНЧ на ОУ
Режекторные фильтры на ОУ
Управители частоты (УЧ)
Существует много приборов и устройств, обладающих реактивной проводимостью, управляемой током и напряжением: емкость закрытого p-n перехода, управители на ферритах, реактивные лампы и транзисторы, вариконды и т.п.
Выбор определенного вида управителя зависит от требований:
•максимальной девиации частоты,
•уровня допустимых нелинейных искажений,
•допустимой паразитной амплитудной модуляции,
• стабильности средней частоты и т.д. |
57 |
Варикап – п/п диод, барьерная ёмкость закрытого p-n перехода которого зависит от приложенного напряжения.
Простота схемы, малые габариты, ничтожная мощность источника управляющего
напряжения.
Сбар – барьерная ёмкость.
Сд – диффузионная ёмкость.
R=dUпер/dI – дифференциальное сопротивление (>1МОм)
r – сопротивление потерь
Эквивалентная схема p-n
перехода п/п диода
В режиме открытого перехода (Uпер>0) сопротивление R мало и сильно шунтирует ёмкость перехода, которая определяется в основном диффузионной емкостью Сд,
пропорциональной току.
Это затрудняет использование варикапа для управления частотой при Uпер<0.
При закрытом p-n переходе (Uпер<0) обратный ток I очень мал, сопротивление R
велико и почти не влияет на характеристики варикапа.
Емкостью варикапа является Сбар, зависящая от запирающего напряжения на
переходе.
Сбар=Сбар ( -Е)/( -Uпер)m
Uпер - запирающее напряжение на переходе;
58
Е – произвольное напряжение начального смещения;
=0.5 В – контактная разность потенциалов;
Сбар – ёмкость варикапа при Uпер=Е; m=1/3 – для плавного перехода; m=1/2 – для резкого перехода; m=1…2 – для сверхрезкого перехода.
Основной недостаток управителя на переходе
–большой уровень нелинейных искажений. Варикапы вносят определенный вклад в
температурную нестабильность частоты АГ и паразитную АМ. Эти свойства варикапов характеризуются ТКЕ и добротностью.
ТКЕ варикапов положителен (+) и имеет величину Е-4…Е-6 0К-1 (увеличивается с уменьшением напряжения).
QВ=1/(2 fВ СВ r)
Добротность варикапа (Qв) зависит от величины напряжения на нем (повышается с увеличением U) и уменьшается с увеличением fв и t 0. (Q~200 при U=~100 В).
Qв при Ев и fв дано в справочниках. При рабочей частоте f: Qвf=Qв*f/fв,
где Qв, fв – справочные данные. Коэффициент перекрытия варикапа по емкости 3-5.
Вариконд – конденсатор с сегнетодиэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого увеличивается с увеличением напряженности электрического поля. Вариконды выпускаются с номинальной ёмкостью от 10 пФ до долей микрофарады. Ёмкость 59 варикондов может изменяться в 4…8 и более раз. Они имеют лучшую линейность, чем
В управителях частоты на ферритах – |
|
используется зависимость магнитной |
|
проницаемости феррита от постоянного |
|
подмагничивания. СкLк – контур автогенератора. |
|
Изменение тока ( iУ) меняет феррита, а |
|
следовательно и индуктивность Lк=Lк( ). |
|
Недостатки: большие мощности управляющего |
|
сигнала. |
к АГ |
Реактивный транзистор |
|
|
Реактивные транзисторы обеспечивают большую |
|
|
девиацию частоты и меньшие искажения, чем |
|
|
варикапы. |
|
|
Схема реактивного транзистора представлена на рис. |
|
|
Реактивный транзистор м. б. выполнен как |
|
|
эквивалентная управляемая индуктивность, так и |
Z1 |
|
эквивалентная управляемая ёмкость. |
||
|
||
Характер эквивалентной реактивности определяется |
|
|
строением фазосдвигающей цепи Z1, Z2. |
Z2 |
|
В отличие от варикапа, который м. б. подключен в |
ветви контура АГ как параллельно, так и последовательно, реактивный транзистор подключается только параллельно контуру.
LБЛ
+ЕК
Z1
LБЛ |
UМОД |
|
Z2 |
||
|
L |
R |
C |
R |
R |
C |
R |
L |
LЭКВ |
|
СЭКВ |
|
|
|
Рис. |
60 |
|
|
|